Numeri complessi Pag. 1 Adolfo Scimone 1998 NUMERI COMPLESSI Come sappiamo, non esistono nel campo dei numeri reali le radici di indice pari dei numeri negativi. Ammettiamo pertanto l’esistenza della radice quadrata del numero – 1. Questo nuovo ente numerico che indicheremo con la lettera i o j non può essere un numero reale e viene chiamato unità immaginaria. Si rese necessario quindi ampliare il campo dei numeri reali. Def – 1 Dicesi numero complesso l’espressione a + ib dove il numero a è detto parte reale, i b parte immaginaria. Il numero complesso a + i b viene indicato con le lettere z, w … Due numeri complessi z = a + i b e w = c + id sono uguali se a=c e b=d cioè se hanno la stessa parte reale e uguali i coefficienti delle parti immaginarie. Def. – 2 Dato il numero complesso z = a + i b , si dice opposto di z il numero − z = −a − i b , per cui il numero complesso z = a + i b è nullo se e solo se a = b = 0 . Nel campo dei numeri complessi non si introducono i concetti di maggiore e di minore. Rappresentazione cartesiana dei numeri complessi a) Rappresentazione mediante i punti del piano Fissiamo un sistema di assi cartesiani Oxy. Al numero complesso z = a + i b associamo un punto A ( a, b ) e inversamente al punto A ( a, b ) facciamo corrispondere il numero complesso z = a + i b . Rimane così stabilita una corrispondenza biunivoca fra i numeri complessi ed i punti del piano. Ai punti dell’asse x corrispondono i numeri reali, per cui l’asse x prende il nome di asse reale, mentre l’asse y a cui corrispondono i numeri immaginari prende il nome di asse immaginario. Infatti i punti dell’asse x sono in corrispondenza biunivoca con i numeri z = a +i0 = a , mentre i punti dell’asse y sono in corrispondenza biunivoca con i numeri del tipo z = 0 + i b = ib Due numeri complessi tra loro opposti a + i b e − a − i b hanno per immagine, o indici, punti simmetrici rispetto all’origine. Numeri complessi Pag. 2 Adolfo Scimone 1998 A(a,b) A’(-a,-b) Def. – 3 I numeri complessi z = a + i b e z = a − ib prendono il nome di numeri complessi coniugati ed hanno gli indici simmetrici rispetto all’asse x. A(a,b) A’(a,- b) b) Rappresentazione mediante vettori Ad ogni punto A(a,b) del piano possiamo associare il vettore OA. Di conseguenza ad ogni numero complesso z = a + i b si può far corrispondere il vettore OA e inversamente. Si stabilisce così una corrispondenza biunivoca tra i numeri complessi e i punti del piano di origine O. Il vettore OA sarà quindi il vettore rappresentativo del numero complesso z = a + i b ; a rappresenta la proiezione del vettore sull’asse x ed il coefficiente b rappresenta la proiezione del vettore sull’asse y. I vettori rappresentativi di due numeri complessi opposti, sono tra loro opposti, i vettori rappresentativi di due numeri complessi coniugati sono simmetrici rispetto all’asse x. Numeri complessi Pag. 3 Adolfo Scimone 1998 y b A(a,b) ρ ϕ O a x y b A(a,b) -a O A’(-a,-b) -b a y b A(a,b) x O -b A’(a,-b) Operazioni Fra numeri complessi Addizione Consideriamo due numeri complessi z1 = a + i b e z 2 = c + i d . La somma di z1 e z 2 sarà z = z1 + z 2 = ( a + ib ) + (c + id ) = ac + i ( b + d ) x Numeri complessi Pag. 4 Adolfo Scimone 1998 Indicando con P1 (a , b ) e P2 (c , d ) gli indici dei due numeri complessi, l’indice corrispondente a z = z1 + z 2 sarà il punto Q( a + c, b + d ) avente come ascissa la somma delle ascisse e come ordinata la somma delle ordinate dei punti P1 e P2 . Vettorialmente si ha che il vettore z sarà la somma dei vettori z1 e z2 . z2 z z1 Sottrazione Per differenza tra due numeri complessi z1 = a + i b e z 2 = c + i d e si indica con z = z1 − z 2 si intende il numero complesso x + iy tale che ( x + iy ) + (c + id ) = a + ib quindi x + c + i ( y + d ) = a + ib Per il principio di identità dei polinomi si ha: x+c= a ⇒ x = a−c y+d =b ⇒ y = b−d per cui z1 − z 2 = x + iy = a − c + i (b − d ) Il vettore z = z1 − z 2 è rappresentato in fig. z2 z1 – z2 z1 Numeri complessi Pag. 5 Adolfo Scimone 1998 Moltiplicazione Dati i numeri complessi z1 = a + i b e z 2 = c + i d il prodotto di z1 per z 2 è dato da z = z1 ⋅ z 2 = ( a + ib)( c + id ) = ac + iad + ibc + i 2 bd = ( ac − bd ) + i (bc + ad ) Si ha anche che la somma e il prodotto di due numeri complessi coniugati sono numeri reali. Infatti, se z = a + ib z = a + ib sono numeri complessi coniugati, avremo z + z = (a + ib) + ( a − ib) = 2a zz = (a + ib)( a − ib ) = a 2 + b 2 Il termine a 2 + b 2 viene chiamato anche norma del numero complesso a + ib . Potenza ad esponente intero positivo In modo analogo al campo reale si ha che, dato il numero complesso z = a + ib z 0 = ( a + ib ) 0 = 1 z 1 = ( a + ib ) 1 = a + ib z n = ( a + ib ) n = (a + ib)( a + ib).....( a + ib) 14444244443 n vplte inoltre si ha: i0 = 1 i1 = i i 2 = −1 i 3 = −i i4 = 1 i5 = i i 6 = −1 Poiché le potenze si ripetono periodicamente ogni 4 volte, le potenze di i formano un gruppo ciclico di ordine 4. i 4n = i 0 = 1 i 4 n +1 = i 1 = i i 4 n +2 = i 2 = − 1 i 4 n +3 = i 3 = − i Numeri complessi Pag. 6 Adolfo Scimone 1998 Divisione Dati i numeri complessi z1 = a + i b e z 2 = c + i d con z 2 ≠ 0 definiamo quoziente di z1 e z 2 quel numero complesso z = x + iy tale che a + ib = ( c + id ) ⋅ ( x + iy ) che si può anche scrivere a + ib = cx − dy + i ( dx + cy) e quindi per il principio di identità dei polinomi si ha cx − du = a dx + cy = b Risolvendo il sistema con il metodo di Cramer si ha c −d det A = = c 2 + d 2 ≠ 0 perché somma di quadrati d c a −d det A1 = = ac + bd b c c a det A2 = = bc − ad d b Avremo: det A1 ac + bd x= = det A c 2 + d 2 det A2 bc − ad x= = det A c 2 + d 2 Il quoziente sarà z ac + bd bc − ad z = 1 = x + iy = 2 +i 2 2 z2 c +d c +d2 In pratica il quoziente si può determinare moltiplicando numeratore e denominatore per il coniugato di z2 . Si ha: z 1 a + ib ( a + ib )( c − id ) ac + bd + i (bc − ad ) ac + bd bc − ad = = = = 2 +i 2 2 2 2 z 2 c + id ( c + id )( c − id ) c +d c +d c +d2 Coordinate polari Fissati nel piano un punto O, polo ed una semiretta , asse polare, uscente da O ed un verso di rotazione, ad un punto P del piano si associa la sua distanza ρ dal polo e l’ascissa angolare ϕ della semiretta OP. Alla a coppia (ρ, ϕ) si dà il nome di coordinate polari del piano. Esse sono legate alle coordinate cartesiane dalle relazioni: x = ρ cos ϕ y = ρ sin ϕ Numeri complessi Pag. 7 Adolfo Scimone 1998 ρ ϕ ρ si chiama raggio vettore e ϕ anomalia del punto P. Per passare dalle coordinate cartesiane a quelle polari eleviamo al quadrato le x = ρ cos ϕ y = ρ sin ϕ x 2 = ρ 2 cos 2 ϕ 2 y = ρ 2 sin 2 ϕ sommando membro a membro otteniamo x 2 + y 2 = ρ 2 (cos 2 ϕ + sin 2 ϕ ) e quindi x2 + y2 = ρ 2 ρ = x2 + y2 Avremo quindi x x cos ϕ = = 2 ρ x + y2 y y sinϕ = = . 2 ρ x + y2 Forma trigonometrica dei numeri complessi Si dicono modulo e argomento del numero complesso z = a + i b rispettivamente il modulo ρ e l’anomalia ϕ, definita a meno di multipli di 2π . Numeri complessi Pag. 8 Adolfo Scimone 1998 Consideriamo il numero complesso z = a + i b , sia P(a,b) il punto corrispondente piano complesso che individua il vettore rappresentativo corrispondente. Si ha P(a,b) ρ ϕ a = ρ cos ϕ b = ρ sin ϕ ρ = a2 +b2 cos ϕ = a = ρ a a 2 + b2 b b = 2 ρ a + b2 da cui, supponendo cos ϕ ≠ 0 si ha anche b tg ϕ = a Il numero complesso z = a + i b assumerà la forma z = ρ (cos ϕ + i sin ϕ ) sinϕ = Moltiplicazione di numeri complessi Chiamiamo prodotto di due numeri complessi un numero complesso che ha modulo uguale al prodotto dei moduli dei fattori e argomento uguale alla somma degli argomenti dei fattori. Dati i numeri complessi z1 = ρ 1 (cos ϕ 1 + i sin ϕ1 ) z 2 = ρ 2 (cos ϕ 2 + i sin ϕ 2 ) avremo: Numeri complessi Pag. 9 Adolfo Scimone 1998 z1 ⋅ z 2 = ρ 1 ρ 2 (cos ϕ1 + i sin ϕ 1 ) ⋅ (cos ϕ 2 + i sin ϕ 2 ) = = ρ 1 ρ 2 (cos ϕ 1 cos ϕ 2 + i cos ϕ1 sinϕ 2 + isin ϕ1 cos ϕ 2 − sin ϕ 1 sin ϕ 2 ) = ρ 1 ρ 2 ((cos ϕ 1 cos ϕ 2 − sin ϕ 1 sin ϕ 2 ) + i (sin ϕ1 cos ϕ 2 + cos ϕ1 sin ϕ 2 )) e quindi z1 ⋅ z 2 = ρ 1 ρ 2 [cos (ϕ1 + ϕ 2 ) + i sin (ϕ 1 + ϕ 2 )] Il teorema si estende al caso di un prodotto di più fattori, dimostrando che se z1 , z 2 ,..., z n sono numeri complessi, ρ 1, ρ 2 ,..., ρ n i loro moduli e ϕ 1 , ϕ 2 ,...,ϕ n i loro argomenti, risulta: z1 ⋅ z 2 L z n = ρ 1⋅ ρ 2L ρ n [cos (ϕ 1 + ϕ 2 + ... + ϕ n ) + i sin (ϕ 1 + ϕ 2 + ... + ϕ n )] Divisione di numeri complessi Se ( ρ 1 , ϕ 1 ) è il modulo e l’argomento di z1 e ( ρ 2 ,ϕ 2 ) il modulo e l’argomento di z 2 e se z 2 ≠ 0 avremo: z1 ρ 1 (cos ϕ1 + i sinϕ 1 ) ρ (cos ϕ1 + i sin ϕ 1 ) ⋅ (cos ϕ 2 − i sin ϕ 2 ) = = 1 = z 2 ρ 2 (cos ϕ 2 + i sin ϕ 2 ) ρ 2 (cos ϕ 2 + i sinϕ 2 ) ⋅ (cos ϕ 2 + i sin ϕ 2 ) ρ cos ϕ1 cos ϕ 2 − i cos ϕ 1 sin ϕ 2 + i sin ϕ 1 cos ϕ 2 + sin ϕ 1 cos ϕ 2 = 1 = ρ2 cos 2 ϕ 2 + sin 2ϕ 2 ρ = 1 (cos ϕ 1 cos ϕ 2 − i cos ϕ 1 sin ϕ 2 + i sin ϕ 1 cos ϕ 2 + sinϕ 1 cos ϕ 2 ) = ρ2 ρ = 1 (cos ϕ 1 − ϕ 2 ) − i sin (ϕ 1 − ϕ 2 )) ρ2 Quindi il quoziente di due numeri complessi è un numero complesso avente modulo uguale al quoziente dei moduli dei fattori e argomento uguale alla differenza degli esponenti dei fattori. Elevazione a potenza Applicando la formula precedentemente vista al caso di n fattori uguali otteniamo una regola che permette di elevare un numero complesso ad una potenza intera positiva. [ρ (cos ϕ + i sin ϕ ) ]n = ρ n (cos nϕ + i sin nϕ ) cioè: Per elevare un numero complesso a una potenza intera positiva, è necessario elevare a questa potenza il modulo e moltiplicare l’argomento per l’esponente della potenza. Dimostriamo che vale anche se n è un numero intero negativo. Numeri complessi Pag. 10 Adolfo Scimone 1998 Se m > 0 poniamo n = −m , avremo: 1 [ρ (cos ϕ + i sin ϕ ) ]− m = = [ρ (cos ϕ + i sin ϕ ) ]m 1 cos mϕ − i sin mϕ = m = m = ρ (cos mϕ + i sin mϕ ) ρ (cos 2 mϕ + sin 2 mϕ ) = ρ − m (cos mϕ − i sin mϕ ) che si può scrivere: [ρ (cos ϕ + i sin ϕ ) ]− m = = ρ − m [cos( −mϕ ) + i sin ( −mϕ ) ] Radici di un numero complesso Dato un numero complesso z e un numero intero positivo n, dicesi radice n – esima di z ogni numero complesso w tale che si abbia wn = z Supposto z ≠ 0 scriviamo z e w sotto forma trigonometrica. Si ha: z = ρ (cos ϕ + i sin ϕ ) w = r (cos ψ + i sin ψ ) con ρ,ϕ numeri noti e r e ψ incogniti. Se w è una radice n – esima di z dovrà aversi: [r (cos ψ + i sin ψ ) ]n = ρ (cos ϕ + i sin ϕ ) Per la formula di De Moivre avremo: r n (cos nψ + i sin nψ ) = ρ (cos ϕ + i sin ϕ ) Affinché si verifichi l’eguaglianza, i numeri complessi dovranno avere lo stesso modulo e i loro esponenti devono differire di multipli di 2π . Dovrà risultare: rn = ρ nψ = ϕ + 2kπ con k ∈ Z poiché ρ > 0 , dovrà essere r > 0 e quindi r = n ρ e inoltre ϕ + 2kπ ψ= n Pertanto: Le radici n – esime del numero complesso z sono tutti e soltanto i valori che si ottengono dalla formula ϕ + 2kπ ϕ + 2 kπ wk = n ρ cos + i sin n n Sembrerebbe che la formula fornisse infiniti valori per wk poiché infiniti sono i numeri k ∈ Z , vediamo invece che si possono dedurre solo n valori distinti. Vediamo che gli n numeri complessi che si deducono attribuendo a k i valori 0,1,2,.....n − 1 sono tra loro distinti. Si ha Numeri complessi Pag. 11 Adolfo Scimone 1998 ϕ ϕ w0 = n ρ cos + i sin per k = 0 n n ϕ + 2π ϕ + 2π w1 = n ρ cos per k = 1 + i sin n n ϕ + 4π ϕ + 4π w2 = n ρ cos per k = 2 + i sin n n …………………………………………………………. ϕ + 2( n − 1)π ϕ + 2( n − 1)π wn −1 = n ρ cos + i sin per k = n – 1 n n ϕ + 2 nπ ϕ + 2 nπ n ϕ ϕ wn = n ρ cos + i sin = ρ cos + 2π + i sin + 2π = n n n n ϕ ϕ = n ρ cos + i sin = w0 per k = n n n Alla stessa conclusione si perviene se k è un numero negativo: ϕ − 2π ϕ − 2π n ϕ − 2π ϕ − 2π w−1 = n ρ cos + i sin + 2π + i sin + 2π = = ρ cos n n n n ϕ + 2( n −1)π ϕ + 2( n −1)π = n ρ cos + i sin = wn −1 n n e così via. Possiamo pertanto enunciare il Teorema – Ogni numero complesso non nullo z = ρ (cos ϕ + i sin ϕ ) ammette n radici n – esime che sono date dalla ϕ + 2kπ ϕ + 2 kπ wk = n ρ cos + i sin n n con k = 0,1,2,....., n − 1